CN107119554B - 一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，在各个桥墩和主梁之间设置磁流变(MR)阻尼器，每个墩梁之间MR阻尼器的最大出力根据桥墩屈服力数值确定，每个墩梁之间MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力。本发明根据既有钢筋混凝土连续梁桥的桥墩屈服力确定MR阻尼器的最大出力，MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力，不仅可以利用MR阻尼器消耗地震能量，还能够充分利用钢筋混凝土连续梁桥各个构件的耗能能力，使得各个构件损伤趋于均匀化，提高桥梁整体的抗倒塌能力。

Description

一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法

技术领域

本发明属于土木工程桥梁工程领域，尤其涉及一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法。

背景技术

钢筋混凝土连续梁桥是桥梁工程领域的主要结构体系形式之一。历次地震灾害表明主梁落梁和桥墩破坏是钢筋混凝土连续梁桥的两种主要破坏模式，而影响这两种破坏模式的关键因素是主梁和桥墩之间的连接构件(包括支座和限位装置)。在现实情况中，主梁位移过大导致落梁破坏会致使结构整体失效，其基本力学机理是墩梁间的连接强度过小导致主梁位移过大发生落梁破坏，但往往此时桥墩由于受到上部结构传递的地震力较小而未发生破坏；另一方面，桥墩发生破坏也会导致结构整体失效，其基本力学机理是墩梁间的连接强度过大导致地震发生时传递给桥墩的地震力过大，过大的地震力增加桥墩的剪力和弯矩引起桥墩破坏，但往往此时主梁的位移较小。同时，由于地震动的随机性无法确定合理的连接强度保证地震作用后主梁位移和桥墩损伤均在可控范围，因此如何在墩梁之间设计合理的连接装置使得地震作用下主梁位移和桥墩损伤均在设计可控的范围内，这将大大提高结构的抗震性能。

现有的研究成果主要在墩梁之间设置耗能连接装置，地震发生时通过耗能装置耗散地震能量减小结构的地震反应，但设计的耗能装置传递给桥墩的地震力只允许桥墩在弹性工作范围内，导致设计的耗能装置的耗能能力非常有限，并且没有充分利用桥梁结构本身的抗震能力，导致控制结构的地震反应效果有限。因此，最大限度地设计耗能装置的耗能能力和充分利用结构本身的抗震能力可以大大提高结构的抗震性能。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，该方法不仅可以利用MR阻尼器消耗地震能量，还能够充分利用钢筋混凝土连续梁桥各个构件的耗能能力，使得各个构件损伤趋于均匀化，提高桥梁整体的抗倒塌能力。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，在各个桥墩和主梁之间设置MR阻尼器，每个墩梁之间MR阻尼器的最大出力为：

式中：f_i为第i桥墩阻尼器的最大出力；f_a为总设计出力，取所有桥墩屈服力数值总和；Fⁱ为第i桥墩的屈服力；n为桥墩个数；dⁱ为第i桥墩在E2地震作用下的损伤指数(取三条以上地震作用下的桥墩损伤指数平均值)，dⁱ的表达式为：

式中：为荷载作用下第i桥墩的最大位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的屈服位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的极限位移值。

每个墩梁之间MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力。

所述MR阻尼器的实时控制力为：

式中：f(t)为t时刻阻尼器的出力；f_I,max、f_I,min分别为阻尼器的最大出力和最小出力；x、分别为阻尼器活塞的位移和速度。

本发明具有的优点和积极效果是：根据既有钢筋混凝土连续梁桥的桥墩屈服力确定磁流变(MR)阻尼器的最大出力，MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力，不仅可以利用MR阻尼器消耗地震能量，还能够充分利用钢筋混凝土连续梁桥各个构件的耗能能力，使得各个构件损伤趋于均匀化，提高桥梁整体的抗倒塌能力，为地震作用下桥梁结构的减震控制提供一种新的思路。

附图说明

图1-1为本发明采用的分析模型桥梁尺寸图；

图1-2为图1-1的1-1剖面图；

图1-3为图1-1的2-2剖面图；

图1-4为图1-1的3-3剖面图；

图1-5为图1-1的4-4剖面图；

图2为采用本发明和采用传统抗震挡块桥墩损伤指数的对比图；

图3为采用本发明和采用传统抗震挡块墩梁相对位移对比图；

图4为采用本发明和未设置抗震连接装置桥墩损伤指数对比图；

图5为采用本发明和未设置抗震连接装置墩梁相对位移对比图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，在各个桥墩和主梁之间设置MR阻尼器，每个墩梁之间MR阻尼器的最大出力为：

式中：f_i为第i桥墩阻尼器的最大出力；f_a为总设计出力，取所有桥墩屈服力数值总和；Fⁱ为第i桥墩的屈服力；n为桥墩个数；dⁱ为第i桥墩在E2地震作用下的损伤指数(取三条以上地震作用下的桥墩损伤指数平均值)，dⁱ的表达式为：

式中：为荷载作用下第i桥墩的最大位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的屈服位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的极限位移值。

每个墩梁之间MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力，并作用于相应结构上。

所述MR阻尼器的实时控制力为：

式中：f(t)为t时刻阻尼器的出力；f_I,max、f_I,min分别为阻尼器的最大出力和最小出力；x、分别为阻尼器活塞的位移和速度。

本发明通过计算各个桥墩的屈服力，设计MR阻尼器的最大出力，通过开关控制算法，实时计算施加于桥梁结构的MR阻尼器控制力，达到桥梁各个构件损伤均匀化的目的。

下面通过一个应用实例来说明本发明的优越性。

请参阅图1-1～1-5，跨径布置为90m+160m+90m的钢筋混凝土连续梁桥，该桥的结构尺寸如图1-1～1-5所示，主梁为钢筋混凝土空心箱梁，边墩处主梁的截面高度为3.85m，中墩处主梁截面高度为9.375m，边墩和中墩为空心薄壁桥墩。混凝土采用C40，钢筋的屈服强度为550MPa，纵筋配筋率为0.8％。分析中仅考虑纵桥向的地震激励，底部施加LomaPrieta地震动。

请参阅图2，上述桥梁采用本发明确定的MR阻尼器与采用传统抗震挡块桥墩损伤指数的对比分析：计算表明，在0.6g、0.7g、0.8g、0.9g地震动作用下，采用本发明的桥梁边墩损伤指数分别为0.035、0.041、0.048、0.058，中墩损伤指数分别为0.012、0.014、0.023、0.027，边墩和中墩均处于基本完好的状态。采用传统抗震挡块的桥梁边墩损伤指数分别为0.006、0.020、0.025、0.031，边墩处于基本完好的状态，中墩损伤指数分别为0.096、0.137、0.185、0.217，中墩在地震强度0.7g以上时为轻微破坏状态。采用本发明的桥梁可以明显降低中墩损伤指数，并且使得边墩和中墩的损伤程度相近。

请参阅图3，上述桥梁采用本发明确定的MR阻尼器在0.6g、0.7g、0.8g、0.9g地震动作用下墩梁相对位移分别为27.7mm、31.1mm、35.7mm、38.2mm；而上述桥梁采用传统抗震挡块时，由于抗震挡块的限制在各强度地震作用下墩梁相对位移最大值为40mm，因此本发明可以减小主梁的位移反应。

请参阅图4，上述桥梁采用本发明确定的MR阻尼器与未设置抗震连接装置桥墩损伤指数的对比分析：计算表明，在0.6g、0.7g、0.8g、0.9g地震动作用下未设置抗震连接装置的桥梁边墩损伤指数分别为0.002、0.007、0.010、0.016，中墩损伤指数分别为0.001、0.004、0.007、0.010，边墩和中墩均处于基本完好的状态。采用本发明确定的MR阻尼器，桥梁边墩损伤指数分别为0.035、0.041、0.048、0.058，中墩损伤指数分别为0.012、0.014、0.023、0.027，虽然桥墩损伤指数较未设置抗震连接装置的桥墩有所增加，但边墩和中墩也均处于基本完好的状态，在抗震设计中可以接受。

请参阅图5，在0.6g、0.7g、0.8g、0.9g地震动作用下，上述桥梁未设置抗震连接装置，桥梁墩梁相对位移分别为51.1mm、65.3mm、79.2mm、98.4mm，采用本发明确定的MR阻尼器，桥梁墩梁相对位移分别为27.7mm、31.1mm、35.7mm、38.2mm。采用本发明可以显著减小主梁位移反应，防止桥梁发生落梁破坏。

综上所述，采用本发明可以使各个桥墩损伤趋于均匀化并在可控范围内，同时明显减小主梁位移，提高桥梁整体抗震性能。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，在各个桥墩和主梁之间设置MR阻尼器，其特征在于，每个墩梁之间MR阻尼器的最大出力为：

式中：f_i为第i桥墩阻尼器的最大出力；f_a为总设计出力，取所有桥墩屈服力数值总和；Fⁱ为第i桥墩的屈服力；n为桥墩个数；dⁱ为第i桥墩在E2地震作用下的损伤指数，取三条以上地震作用下的桥墩损伤指数平均值，dⁱ的表达式为：

式中：为荷载作用下第i桥墩的最大位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的屈服位移值；为单调荷载作用下第i桥墩的极限位移值；

每个墩梁之间MR阻尼器的半主动控制器采用开关控制算法实时求解MR阻尼器的控制力。

2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土连续梁桥的地震损伤均匀化控制方法，其特征在于，所述MR阻尼器的实时控制力为：

式中：f(t)为t时刻阻尼器的出力；f_I,max、f_I,min分别为阻尼器的最大出力和最小出力；x、分别为阻尼器活塞的位移和速度。